Bimetall-Thermoschalter und
Bimetall-Thermostat einfach erklärt
Das Bimetall-Thermostat und der Bimetall-Schalter ändern ihren Schaltzustand in Abhängigkeit von der Temperatur. Wie sie funktionieren und wo Du ihnen täglich begegnest, erfährst Du in diesem Beitrag!
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Grundprinzip: der Bimetall-Effekt
Bimetall-Schalter und Bimetall-Thermostate sind enge Verwandte des Bimetall-Thermometers. Ihr Herzstück ist der Bimetallstreifen. Der wiederum besteht aus zwei fest miteinander verbundenen Metallstreifen aus verschiedenen Metallen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Einfach ausgedrückt bedeutet das: die beiden Metallstreifen dehnen sich bei Wärmeeinwirkung unterschiedlich stark aus.
Genau das bewirkt den sogenannten Bimetall-Effekt: der Bimetallstreifen biegt sich bei Wärmeeinwirkung. Kühlt der Streifen wieder ab, geht die Biegung wieder zurück.
Und genau diese Bewegung können wir uns für einen temperaturabhängigen Schalter zu Nutze machen.
Sprungverhalten
Ein einfacher Bimetall-Streifen hat jedoch einen Nachteil: er bewegt sich bei einer Temperaturänderung relativ langsam. Für einen Schalter ist das ungünstig. Denn wenn sich die Kontakte nur langsam voneinander entfernen, kann bei kleinen Abständen noch Strom überspringen. Der Schaltvorgang ist also „unsauber“ und birgt das Risiko, dass die Kontakte verkleben. Deshalb schaltet der Bimetall-Streifen meistens nicht selbst, sondern betätigt einen (Sprung-)Schalter.
Schalter vs. Thermostat
Damit alles schön verständlich bleibt, differenzieren wir in diesem Beitrag zwischen dem Bimetall-Schalter (ohne Sollwert-Verstellung) und dem Bimetall-Thermostat (mit Sollwert-Verstellung). Schauen wir uns also zuerst mal den einfachen Schalter an.
Bimetall-Schalter ohne Sollwert-Verstellung
Der Bimetall-Schalter hat eine ab Werk festgelegte Schalttemperatur. Die einfachste Bauart ist die Bimetall-Scheibe mit Sprungverhalten. Diese kleine Scheibe ist im Ausgangszustand (kalt) konkav und wird bei ihrer Nenntemperatur sprunghaft konvex. Genau dieser Sprung schaltet z.B. einen einfachen Wasserkocher aus – Du kennst bestimmt das charakteristische „Klack“-Geräusch, wenn das Wasser kocht.
In der Industrie kommen meistens keine „nackten“ Bimetall-Scheiben zum Einsatz. Stattdessen steckt die Bimetallscheibe in einem kleinen, runden Gehäuse und betätigt darin einen Schalter. Die kompaktere Variante für kleine Geräte oder engen Bauraum ist ein direkt am Kabel montierter Bimetallschalter.
Öffner oder Schließer?
Bimetall-Schalter können den Stromkreis bei ihrer Nenntemperatur entweder öffnen oder schließen. Ob Du einen Öffner oder einen Schließer brauchst, kannst Du ganz einfach selbst bewerten:
Der Öffner unterbricht bei steigender Temperatur den Stromkreis (→ AUS). Er kann also beispielsweise eine Heizung beim Überschreiten seiner Nenntemperatur ausschalten.
Der Schließer schließt bei steigender Temperatur den Stromkreis (→ EIN). Mit ihm könnten wir z.B. beim Überschreiten seiner Nenntemperatur ein Kühlaggregat einschalten.
Temperaturschalter mit Selbsthaltung
Wie soll Dein Thermoschalter sich verhalten, wenn er wieder abkühlt? Das ist eine ziemlich sicherheitskritische Frage. Bleiben wir beim Beispiel Wasserkocher:
- Wir drücken die EIN Taste, um Wasser zu kochen
- Das Wasser kocht, die Bimetall-Scheibe springt und schaltet den Wasserkocher AUS
Der Wasserkocher hat einen Schalter mit Selbsthaltung. Nachdem er einmal auf AUS geschaltet hat, schaltet er von alleine nicht mehr auf EIN. Das tut er erst, wenn wir ihn wieder manuell einschalten. Besser ist das 🤓
Temperaturschalter mit automatischer Rückstellung
Anders sieht’s beim Temperaturschalter mit automatischer Rückstellung aus: wenn seine Nenntemperatur unterschritten wird, springt er wieder in seine Ausgangsstellung zurück. Er kann also EIN und AUS schalten.
Mit einem automatisch rückstellenden Thermoschalter könntest Du z.B. die Temperatur in einem Schaltschrank „regeln“, indem Du einen Lüfter ansteuerst. Wird die Solltemperatur überschritten, schaltet der Thermoschalter den Lüfter ein. Sobald die Temperatur wieder unter die Solltemperatur fällt, schaltet der Thermoschalter den Lüfter wieder aus.
Streng genommen ist ein automatisch rückstellender Bimetall-Schalter also ein Temperaturregler, genauer gesagt ein Zweipunkt-Regler. In der Praxis werden die Teile aber meist einfach Thermoschalter oder Temperaturschalter genannt.
Bimetall-Schalter: Vorteile und Nachteile
Ein einfacher Bimetallschalter ist günstig, robust und zuverlässig. Er wird deshalb auch gerne als Rückfallebene eingesetzt. Zum Beispiel in Sicherheitsthermostaten: falls das regelnde Kapillarrohr-Thermostat einen Defekt erleidet, vermeidet ein zusätzlich verbauter Bimetall-Schalter ein unkontrolliertes Überhitzen. Das ist beispielsweise bei IBC-Heizungen und Fassheizungen relevant.
Für einfache Regelaufgaben, bei denen es nicht auf einige °C ankommt, kann ein automatisch rückstellender Thermoschalter eine günstige Lösung sein. Allerdings schaltet er eben nur bei der ab Werk festgelegten Temperatur. Er ist also nicht besonders flexibel.
Bimetall-Thermostat mit Sollwert-Verstellung
Das Bimetall-Thermostat hat dem einfachen Temperaturschalter etwas Wesentliches voraus: eine Einstellmöglichkeit für den Sollwert. Du kennst es beispielsweise aus dem Bügeleisen, an dem Du per Drehknopf die Temperatur einstellen kannst.
Der Bimetall-Streifen liegt hier von innen auf der Heizplatte auf. Je heißer das Bügeleisen wird, desto weiter biegt sich der Bimetall-Streifen nach oben und betätigt dann einen Sprungschalter, der den Stromkreis unterbricht. Die Heizung ist nun aus. Das Bügeleisen kühlt etwas ab, der Bimetallstreifen biegt sich zurück und entlastet den Sprungschalter, dieser schließt den Stromkreis wieder und die Heizung ist wieder aktiv.
Wenn wir am Einstellrädchen die Wunschtemperatur erhöhen, drücken wir von oben die Schaltkontakte fester zusammen. Der Bimetall-Streifen muss sich nun deutlich stärker krümmen, um den Sprungschalter zu betätigen. Das Bügeleisen wird also heißer.
Bimetall-Thermostat: Vorteile und Nachteile
Das Bimetall-Thermostat kann eine bestimmte, mittels Drehrad eingestellte Temperatur ungefähr regeln. Prinzipbedingt ist so ein Thermostat nicht wahnsinnig genau. Setze es also nur dort ein, wo es nicht auf wenige °C ankommt. Da das Bimetall-Thermostat zu den Zweipunkt-Reglern gehört, schwankt es außerdem immer um den Sollwert herum.
Alternativen zum Bimetall-Temperaturschalter
Sowohl für den Bimetall-Schalter als auch für das Bimetall-Thermostat gibt es gute elektronische Alternativen. Ein elektronischer Temperaturschalter besteht aus einem präzisen Temperaturfühler und einem direkt aufs Tauchrohr montierten Gehäuse mit der Elektronik. Es gibt die Geräte sogar mit Display und Tasten zur Einstellung der Schalttemperatur.
Wenn Du aber höhere Anforderungen an die Regelgüte hast, solltest Du Dich nach einem Widerstandsthermometer mit einem PID-Regler umsehen.
Wenn Du eine Elektronik um jeden Preis vermeiden möchtest, könnte ein Kapillarrohr-Thermostat noch eine Alternative sein.
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